基于声音信号和分形理论对刀具磨损的探究.doc

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1、基于声音信号和分形理论对刀具磨损识别技术的探究引言随着科学技术的发展，切削加工系统正在朝着智能化、自动化等方向全面发展。而刀具磨损的检测的白动化便是其发展方向2—。在刀具切削工件的过稈屮，会产生大量的声音信号，这些信号的来源包括电机运行的声音、T件与刀具Z间切削的声音、振动声音等等，有经验的工作人员会根据这些声音大致判断出刀具的磨损状态。由此可以说明在刀具加工工件过程屮，产生的声音信号包含着丰富的刀具磨损信息。刀具磨损頁接影响切削加工质量、效率和生产安全，因此实时掌握刀具磨损状态是切削加丁过稈屮

2、需要重点解决的问题。但由于刀具磨损难以实现实时测量，实践屮通常采用与刀具磨损相关的信号来间接测量刀具磨损。其中，由于声咅信号直接真实，不受切屑和冷却液的影响，信号幅度较大。同时声音信号传感器的灵敏度可以做得较高以感知声音的微小变化,，因此利用声音信号监测刀具磨损具有较大的实用意义。通常情况下，声音信号的频谱图的维数随刀具磨损增加而产生相应变化，因而可以通过监测声音信号频谱图的盒维数及其变化来监控切削过稈°因此，木文通过刀具的全寿命切削实验，分析了切削声信号随刀具磨损变化的频谱特性，为进一步利用声

3、音信号监测刀具磨损提供指导。原理木文通过频谱分析仪对声音信号进行频谱分析，找出最能体现刀具磨损信息的声音频率范FBI,并针对这一范围的频谱图进行探究。借助分形理论对频谱图展开分析，并用计盒维数法求得频谱图像的维数。分形几何学是由Mandelbro于1975年创立，在此基础上，形成了研究分形性质及其应用的科学，称为分形理论。分形作为一种新的概念和方法，正在许多领域开展应用探索。美国物理学大师约翰•惠勒说过：今后谁不熟悉分形，谁就不能被称为科学上的文化人。由此可见分形的重要性。中国著名学者周海屮教授

4、认为：分形几何不仅展示了数学Z美，也揭示了世界的本质，还改变了人们理解白然奥秘的方式；可以说分形儿何是真正描述大白然的几何学，对它的研究也极大地拓展了人类的认知疆域。分形几何学作为当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科，它的出现，使人们重新审视这个世界：世界是非线性的，分形无处不在。分形维的计算方法比较多，虽然准确度各不相同，但结果祁大同小异。常见的计算方法有计盒维数法、小岛法、结构函数法等，木次实验用计盒维数法，对该方法的过稈进行较详细阐述。计盒维数法是Gangepain于1986年提出来的。

5、这是一种常用的计算分形图形分维数的实用方法。取边长为r的小盒了，把分形曲线覆盖起來。则有些小盒了是空的，有些小盒了覆盖了曲线的一部分。计数多少小盒了不是空的，所得的非空盒了数记为N(r)o然后缩小盒了的尺寸，所得N(r)白然要增大，当1—0时，得到分形维数：实际计算屮只能取有限的r，通常的做法与尺码法类似，求一系列r•和N(r),然后在双对数坐标中用最小二乘法拟合肓线，所得直线的斜率即所求分形维数。这是一种常用的计算分形图形分维数的实用方法。取边长为r的小盒子，把分形曲线覆盖起来。则有些小盒子是

6、空的，有些小盒子覆盖了曲线的一部分。计数多少小盒子不是空的，所得的非空盒子数记为N(r)o然后缩小盒子的尺寸，所得N(r)自然要増大，当L0时，得到分形维数：亠-1曲晋西)(^25)—0logr实际计算中只能取有限的r,通常的做法与尺码法类似，求一系列r和N(r),然后在双对数坐标中用最小二乘法拟合直线，所得直线的斜率即所求分形维数。实验及分析木文提出了基于声音识别技术的刀具磨损程度监测方法木方法以刀具切削过稈屮的声信号做为监测量，得到在刀具燃损不同阶段声信号的频谱图像，借助分形理论对每个频谱图

7、进行分析并计算得出在不同磨损阶段频谱图的维数，建立与刀具磨损程度Z间的关系。切削声信号用驻极体传声器采集，采样频率为44100也丿0深集的声信号处于可听阈范围内。通过对声信号进行功率谱分析，切削声信号屮对磨损程度敏感的特征频带在50-1000HZ这个范I韦I内，通过带通滤波和谱减法滤波处理后有效地抑制了无关声信号的干扰。实验选用xx型号刀具对木制品讲行加工，在加工过程中的不同磨损阶段，采取声音频谱信号并获得频谱图，进行分析对比，得出相对最能表征刀具磨损程度的频率范围。通过对比分析，发现屮段频率范

8、鬧最能表征刀具磨损情况。